大型结构健康监测数据采集技术
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大型结构健康监测 数据采集技术
主讲：张广远 2014.05
提纲：
数据采集基础理论 数据采集系统的设计 大型结构健康监测系统的目的和意义 大型结构健康监测系统的总体框架 大型结构健康监测系统中的主要传感器
大型结构健康监测系统中的数据采集和处理
X 传感器 调理电路 数据采集系统 CPU 显示
测试系统方框图
微弱信号检测应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、环 保、医学、材料等领域。微弱信号检测的目的是从强噪声中提 取有用信号。 低噪声前置放大器是微弱信号检测的第一级，是任何一个微 弱信号检测系统或装置的关键部件之一。 通过精心选择器件、合理采取抗干扰措施等手段，最大限度 地降低或抑制放大器自身产生的噪声，从而保证信号的低噪声 传输或放大。 低噪声放大器产品：PARC的113、116、118型; 的XC2401、2404型 TOREX
智能传感器
信号调理电路的设计原则
1 保证传感器的性能指标 传感器电路应具有准确度 (精度) 高、反应快、可调 性、可靠性和经济性强等特点。 (1) 准确度(精度) 具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参 数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：
①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求 ②低漂移、高稳定性 ③有合适的通频带：不失真 ④线性 ⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配
3 传感器常用调理电路
电桥作用：检测电阻分量，常用作电阻型传感器输出调理电路 Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。A，C两端接电压源，则在B，D两端输 出不平衡电压UBD分别为： B Z1
U
恒压源供电： Z2
U U AB U AD Z1Z 4 Z 2 Z3 E Z Z Z Z 1 2 3 4
(8) 脉冲 (数字) 型 传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出 的数字信号分三类： ① 增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化 周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的增 量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。 ② 绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如 码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝对 码。绝对码信号抗干扰能力很强。 ③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一位 编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。 电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换所 需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相应的 数字信号。
(3) 电感型 传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电 感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。 电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处 理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或 电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。 (4) 互感型 传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动 变压器式传感器，电涡流式传感器等。 电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处 理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转 换为电压、电流或频率变化。
A
I1
I2 Z4 D E
C 恒流源供电：
U U AB U AD Z1Z 4 Z 2 Z3 I Z1 Z 2 Z3 Z 4
Z3
3 传感器常用调理电路
B Z0±ΔZ A Z0 Z0 D 电源 Z0 C U Z0±ΔZ A Z0 电源 Z0 D B Z0 ΔZ C U
Z0±ΔZ A
B
Z0 ΔZ Z0 ΔZ
C
Z0±ΔZ
U
D
电源
单臂电桥：将电桥的 一个桥臂阻抗接电参 数型传感器的变换器 (Z0±ΔZ)，其余三个 臂的阻抗均恒定 Z2=Z3=Z4=Z0，
差动半桥：两个桥臂与电 参数型传感器的两个差动 变换器相接，则构成差动 半桥，即两个桥臂阻抗发 生差动变化(Z0±ΔZ，Z0 ΔZ)其余两个臂的阻抗均 恒定Z3=Z4=Z0，
差动全桥：四个桥臂阻 抗均为电参数型传感器 的四个差动变换器，且 四个桥臂阻抗发生差动 变化(Z0±ΔZ，Z0 ΔZ， Z0±ΔZ，Z0 ΔZ)
前置放大器
一般，经敏感元件转换后输出的信号不仅电平低，内 阻高，还伴有较高共模电压，因此需要进行信号放大和阻 抗变换。传感器对信号放大电路的一般要求如下： （ 1 ）输入阻抗远大于信号源内阻。否则负载效应造成测 量误差，内阻不是常数的测量场合，所测误差无法补偿。 （ 2 ）抗共模电压干扰能力强。共模电压来源除转换信号 输出所含共模电压以外，还有环境造成的共模干扰。 （ 3 ）在频带宽度内增益稳定、线性度好，漂移和失调小 ，信噪比高。 （ 4 ）便于增益调整。增益调整时放大性能不降低，以及 便于量程切换、极性自动变换等。 针对传感器信号输出特点的常用放大器：测量放大器 、可编程增益放大器和隔离放大器等。
信号同频的参考信号，通过对参考信号相位搜索，在满足与待测信号同相的 条件下，最有效地检测出待测信号，并同时消除噪声对信号的影响。
数据采集系统 连续模拟信号转换成数字信号，经历了以 下过程：
①时间断续
过程
量化 ②数值断续
编码
数据采集系统
数据采集系统
前置放大器
2. 程控放大器
特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的 反馈电阻阻值
可编程增益放大器的增 益可通过数字逻辑电路 来控制。
多档程控放大器，通过两位程控信号C1和C2来控制模拟开关来切换反馈 电阻Rf ，可实现四个档的闭环增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和Rf3/R。
3. 低噪声前置放大器
2 根据传感器输出参量类型进行信号转换 (1) 电阻型 敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器 的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片பைடு நூலகம் 电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电 桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变 化转换成频率。 (2) 电容型 传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容 式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。 电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压 或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。
隔离放大器实例：AD202
排除干扰信号； 保证人身安全考虑。输入端往往是接大电压， 压，对测量人员有益。
输出端（测量端）接小电
前置放大器
5.量程变换
当R 低频信号 —— 用两个电阻分压 2C2=R 1C1时，脉冲分压器的传递函数 与信号频率无关。此时即使输入为高频 高频信号 ——脉冲分压器 信号，脉冲分压器的输出波形也不会发 R2 生畸变。克服了在对高频信号进行分压 Z2 1 jC 2 R2 脉冲分压器 时，由于分布电容的影响所导致的分压 W ( j ) R1 R2 Z Z 电路输出波形的畸变。1 2
(5) 电压 (电势) 型 传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。 如热电偶，光电池；霍尔元件等。 电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或 电流变化。 (6) 电流型 传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏 二极管等。 电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变 换成较强的电压或电流。 (7) 电荷型 传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。 如压电式传感器，红外热释电元件等。 电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输 出，这种电路通常称之为电荷放大器。
(2)响应速度 实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、 较高的响应速度。
信号调理电路的设计原则
(3)可调整性 能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路 的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时 希望电路有简单的数据处理功能。 (4)可靠性 传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠 性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情 况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结 构是提高可靠性的有效办法。 (5)经济性 在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合 理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。 另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。
测量系统的基本特性是指测量系统与其输入、输出 的关系。 静态特性 输入信号x(t)不随时间变化 动态特性 输入信号x(t) 随时间变化
分类
2.传感器的分类：
按被测量的性质分类
机械量 热工量 化学量 光学量 生物量
位移、力、速度、加速度、重量等； 温度、压力、流量、液位、物位、流速等； 浓度、粘度、湿度、气体的组分、液体的组分等； 光强、光通量、辐射能量等； 血糖、血压、酶等；
前置放大器
1. 测量放大器
特点:（1）很高的输入阻抗； （2）共模抑制比大。
可用于一般场合， 精度要求高时，可 选用AD公司提供的 AD521，AD522和 612型，以及国产 ZF60S型单片集成 测量放大器。
U OUT R3 2 R1 A (1 ) U IN U IN R2 RG
1 jC1 R1
1 jC 2 R2
R2 1 jR2C 2 R2 R1 1 jR1C1
前置放大器
6.锁定放大器
被测信号 输入（AC） 信号通道 相关器 AC 放大器 乘法器 积分
前置 放大
参考输入 （AC）
滤波与 衰减
DC放大
输出（DC）
参考通道 相移 ￠
作用：利用噪声信号不可能与待测信号同频同相的特点，利用一个与待测
电参数型传感器：输出量为电参量，如电阻式、电感式和电容式 电量型传感器：输出量为电量，如热电式、压电式、磁电式等。
按输出量的性质分类
能量转换型 能量控制型
按能量关系分类
如热电偶、光电池等。 如R、L、C电参数型传感器。
带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功 能的传感器。 如智能式压力传感器等。 大型结构健康监测常用传感器：应变片、加速度计、温度等
前置放大器
4.隔离放大器
隔离放大器由输入放大器、 输出放大器、隔离器以及隔 离电源等几部分组成 ； 常用的隔离放大器主要有电 磁（变压器）耦合和光电耦 合两种形式。包括有光、超 声波、无线电波和电磁等方 式。 隔离运算放大器是指输入、 输出没有电气联系。保证输 入、输出更好的隔离。
前置放大器
主讲：张广远 2014.05
提纲：
数据采集基础理论 数据采集系统的设计 大型结构健康监测系统的目的和意义 大型结构健康监测系统的总体框架 大型结构健康监测系统中的主要传感器
大型结构健康监测系统中的数据采集和处理
X 传感器 调理电路 数据采集系统 CPU 显示
测试系统方框图
微弱信号检测应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、环 保、医学、材料等领域。微弱信号检测的目的是从强噪声中提 取有用信号。 低噪声前置放大器是微弱信号检测的第一级，是任何一个微 弱信号检测系统或装置的关键部件之一。 通过精心选择器件、合理采取抗干扰措施等手段，最大限度 地降低或抑制放大器自身产生的噪声，从而保证信号的低噪声 传输或放大。 低噪声放大器产品：PARC的113、116、118型; 的XC2401、2404型 TOREX
智能传感器
信号调理电路的设计原则
1 保证传感器的性能指标 传感器电路应具有准确度 (精度) 高、反应快、可调 性、可靠性和经济性强等特点。 (1) 准确度(精度) 具有足够的精度是传感器准确测量被测对象状态或参 数的重要基础。为满足精度要求，电路应具备下列性能：
①低噪声与高抗干扰能力：对前置放大有要求 ②低漂移、高稳定性 ③有合适的通频带：不失真 ④线性 ⑤有合适的输入与输出阻抗：电路的输入阻抗与前级的输出阻相匹配
3 传感器常用调理电路
电桥作用：检测电阻分量，常用作电阻型传感器输出调理电路 Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。A，C两端接电压源，则在B，D两端输 出不平衡电压UBD分别为： B Z1
U
恒压源供电： Z2
U U AB U AD Z1Z 4 Z 2 Z3 E Z Z Z Z 1 2 3 4
(8) 脉冲 (数字) 型 传感器将被测量转换成脉冲序列或数字信号。其输出 的数字信号分三类： ① 增量码信号：特点是被测量与传感器输出信号的变化 周期数成正比，即输出量值大小由信号变化的周期数的增 量决定。如光栅、磁栅等测位移的传感器。 ② 绝对码信号：一种与被测对象状态相对应的信号。如 码盘，每一个角度方位对应于一组编码，这种编码称绝对 码。绝对码信号抗干扰能力很强。 ③开关信号：只有0和1两个状态，可视为绝对码只有一位 编码时的特例。如行程开关、光电开关的输出信号。 电路的作用：对于脉冲序列输出，进行脉冲计数并转换所 需的信号形成；对于编码信号，将编码输出转换成相应的 数字信号。
(3) 电感型 传感器敏感元件将被测量转换为电感量的变化。如电 感式线位移、角位移传感器，电感式压力传感器。 电路的作用：将被测量变化引起的电感量变化变换为易处 理的信号形式，如采用电感电桥将电感变化变换成电流或 电压变化；用振荡电路将电感变化转换成频率变化。 (4) 互感型 传感器敏感元件将被测量转换为互感的变化。如差动 变压器式传感器，电涡流式传感器等。 电路的作用：将互感量或互感电势的变化，转换为易于处 理的压或电流变化，也可将互感变化引起的电感量变化转 换为电压、电流或频率变化。
A
I1
I2 Z4 D E
C 恒流源供电：
U U AB U AD Z1Z 4 Z 2 Z3 I Z1 Z 2 Z3 Z 4
Z3
3 传感器常用调理电路
B Z0±ΔZ A Z0 Z0 D 电源 Z0 C U Z0±ΔZ A Z0 电源 Z0 D B Z0 ΔZ C U
Z0±ΔZ A
B
Z0 ΔZ Z0 ΔZ
C
Z0±ΔZ
U
D
电源
单臂电桥：将电桥的 一个桥臂阻抗接电参 数型传感器的变换器 (Z0±ΔZ)，其余三个 臂的阻抗均恒定 Z2=Z3=Z4=Z0，
差动半桥：两个桥臂与电 参数型传感器的两个差动 变换器相接，则构成差动 半桥，即两个桥臂阻抗发 生差动变化(Z0±ΔZ，Z0 ΔZ)其余两个臂的阻抗均 恒定Z3=Z4=Z0，
差动全桥：四个桥臂阻 抗均为电参数型传感器 的四个差动变换器，且 四个桥臂阻抗发生差动 变化(Z0±ΔZ，Z0 ΔZ， Z0±ΔZ，Z0 ΔZ)
前置放大器
一般，经敏感元件转换后输出的信号不仅电平低，内 阻高，还伴有较高共模电压，因此需要进行信号放大和阻 抗变换。传感器对信号放大电路的一般要求如下： （ 1 ）输入阻抗远大于信号源内阻。否则负载效应造成测 量误差，内阻不是常数的测量场合，所测误差无法补偿。 （ 2 ）抗共模电压干扰能力强。共模电压来源除转换信号 输出所含共模电压以外，还有环境造成的共模干扰。 （ 3 ）在频带宽度内增益稳定、线性度好，漂移和失调小 ，信噪比高。 （ 4 ）便于增益调整。增益调整时放大性能不降低，以及 便于量程切换、极性自动变换等。 针对传感器信号输出特点的常用放大器：测量放大器 、可编程增益放大器和隔离放大器等。
信号同频的参考信号，通过对参考信号相位搜索，在满足与待测信号同相的 条件下，最有效地检测出待测信号，并同时消除噪声对信号的影响。
数据采集系统 连续模拟信号转换成数字信号，经历了以 下过程：
①时间断续
过程
量化 ②数值断续
编码
数据采集系统
数据采集系统
前置放大器
2. 程控放大器
特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的 反馈电阻阻值
可编程增益放大器的增 益可通过数字逻辑电路 来控制。
多档程控放大器，通过两位程控信号C1和C2来控制模拟开关来切换反馈 电阻Rf ，可实现四个档的闭环增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和Rf3/R。
3. 低噪声前置放大器
2 根据传感器输出参量类型进行信号转换 (1) 电阻型 敏感元件将被测量转换为电阻变化。如温度传感器 的铂电阻，热敏电阻；电阻应变式传感器的应变片பைடு நூலகம் 电路的作用：将电阻变化转换为易测的电参数，如电 桥将电阻变换成电压或电流输出；振荡电路将电阻变 化转换成频率。 (2) 电容型 传感器敏感元件将被测量转换为电容变化。如电容 式线位移、角位移传感器；电容式液位计等。 电路的作用：将电容量的变化转换为易于处理的电压 或电流信号，或通过振荡电路转换成频率信号。
隔离放大器实例：AD202
排除干扰信号； 保证人身安全考虑。输入端往往是接大电压， 压，对测量人员有益。
输出端（测量端）接小电
前置放大器
5.量程变换
当R 低频信号 —— 用两个电阻分压 2C2=R 1C1时，脉冲分压器的传递函数 与信号频率无关。此时即使输入为高频 高频信号 ——脉冲分压器 信号，脉冲分压器的输出波形也不会发 R2 生畸变。克服了在对高频信号进行分压 Z2 1 jC 2 R2 脉冲分压器 时，由于分布电容的影响所导致的分压 W ( j ) R1 R2 Z Z 电路输出波形的畸变。1 2
(5) 电压 (电势) 型 传感器敏感元件将被测量转换为电压或电势变化。 如热电偶，光电池；霍尔元件等。 电路的作用：将微弱电势或电压变化转变为较强电压或 电流变化。 (6) 电流型 传感器敏感元件将被测量转换为电流变化。如光敏 二极管等。 电路的作用：将由传感器输出的微弱电流进行放大，变 换成较强的电压或电流。 (7) 电荷型 传感器敏感元件将被测量转换成输出电荷的变化。 如压电式传感器，红外热释电元件等。 电路的作用：将电荷的变化转换为较强的电压或电流输 出，这种电路通常称之为电荷放大器。
(2)响应速度 实时动态检测要求传感器电路有良好的频率特性、 较高的响应速度。
信号调理电路的设计原则
(3)可调整性 能以同一电路适应不同的同类传感器，即要求电路 的量程或增益可调，且可调范围大、操作方便。同时 希望电路有简单的数据处理功能。 (4)可靠性 传感器电路的可靠性必须满足使用要求。电路可靠 性的基础是元器件的可靠性。元器件可靠性相同的情 况下，电路元器件越多可靠性越低，因此，简化电路结 构是提高可靠性的有效办法。 (5)经济性 在满足性能要求的前提下，尽可能地简化电路，合 理设计电路和选用元器件，以获得好的性价比。 另外，实现低功耗是一个重要的考虑因素。
测量系统的基本特性是指测量系统与其输入、输出 的关系。 静态特性 输入信号x(t)不随时间变化 动态特性 输入信号x(t) 随时间变化
分类
2.传感器的分类：
按被测量的性质分类
机械量 热工量 化学量 光学量 生物量
位移、力、速度、加速度、重量等； 温度、压力、流量、液位、物位、流速等； 浓度、粘度、湿度、气体的组分、液体的组分等； 光强、光通量、辐射能量等； 血糖、血压、酶等；
前置放大器
1. 测量放大器
特点:（1）很高的输入阻抗； （2）共模抑制比大。
可用于一般场合， 精度要求高时，可 选用AD公司提供的 AD521，AD522和 612型，以及国产 ZF60S型单片集成 测量放大器。
U OUT R3 2 R1 A (1 ) U IN U IN R2 RG
1 jC1 R1
1 jC 2 R2
R2 1 jR2C 2 R2 R1 1 jR1C1
前置放大器
6.锁定放大器
被测信号 输入（AC） 信号通道 相关器 AC 放大器 乘法器 积分
前置 放大
参考输入 （AC）
滤波与 衰减
DC放大
输出（DC）
参考通道 相移 ￠
作用：利用噪声信号不可能与待测信号同频同相的特点，利用一个与待测
电参数型传感器：输出量为电参量，如电阻式、电感式和电容式 电量型传感器：输出量为电量，如热电式、压电式、磁电式等。
按输出量的性质分类
能量转换型 能量控制型
按能量关系分类
如热电偶、光电池等。 如R、L、C电参数型传感器。
带有微处理器的，兼有信息检测、信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断功 能的传感器。 如智能式压力传感器等。 大型结构健康监测常用传感器：应变片、加速度计、温度等
前置放大器
4.隔离放大器
隔离放大器由输入放大器、 输出放大器、隔离器以及隔 离电源等几部分组成 ； 常用的隔离放大器主要有电 磁（变压器）耦合和光电耦 合两种形式。包括有光、超 声波、无线电波和电磁等方 式。 隔离运算放大器是指输入、 输出没有电气联系。保证输 入、输出更好的隔离。
前置放大器